Digestione anaerobica di FORSU e sottoprodotti: benefici e principali elementi tecnici di scelta

2. Dipartimento DICA sezione ambientale
Digestione anaerobica di FORSU e sottoprodotti:
benefici e principali elementi tecnici di scelta
Francesca Malpei, Davide Scaglione
francesca.malpei@polimi.it
Dip. Ingegneria Civile e Ambientale
Polo di Cremona Fabbrica della Bionergia wwww.fabbricabioenergia.it

3. DICA – Sezione Ambientale
3Contenuti
 fondamenti del processo di digestione anaerobica
 da cosa dipende e come si calcola la produzione di biogas
 produzione di biogas da FORSU, codigestione e sottoprodotti
 bilanci di massa e alternative di trattamento della frazione liquida
separata dal digestato
 bilancio ambientale
 il quadro europeo della digestione della FORSU

4. DICA – Sezione Ambientale
4
Cos’è la digestione anaerobica
Degradazione biologica della sostanza organica,
in assenza di ossigeno
Sostanza organica  CO2 + CH4 + gas in tracce
 Processo versatile: fanghi, rifiuto umido domestico, scarti
dell’industria agroalimentare, insilati di mais, foraggi, deiezioni
animali, sottoprodotti;
 Azoto, fosforo e potassio si mineralizzano e conservano
 Si consegue un elevato abbattimento dell’eventuale carica
patogena (2 log in mesofilia, > 6 log in termofilia)

5. DICA – Sezione Ambientale
5Cosa fanno i microrganismi?
CATENATROFICA
odi‘smontaggio’
PROTEINE GRASSI CARBOIDRATI
AMMINOACIDI ACIDI GRASSI MONOSACCARIDI
ALCOLI, CHETONI
macromolecole
organiche complesse
idrolisi
NH3
CH4 CO2+ CH4H2 + CO2
acidogenesiacetogenesi
1
2
3
4
metanogenesi
biogas
ACIDO ACETICO
ACIDI GRASSI VOLATILI

6. DICA – Sezione Ambientale
6Cosa fanno i microrganismi?
CATENATROFICA
odi‘smontaggio’
PROTEINE GRASSI CARBOIDRATI
AMMINOACIDI ACIDI GRASSI MONOSACCARIDI
ALCOLI, CHETONI
macromolecole
organiche complesse
idrolisi
NH3
CH4 CO2+ CH4H2 + CO2
acidogenesiacetogenesi
1
2
3
4
metanogenesi
biogas
ACIDO ACETICO
ACIDI GRASSI VOLATILI

7. DICA – Sezione Ambientale
Quanto biogas/metano si produce ?
 dipende dalla natura e biodegradabilità del substrato e dalla
completezza di reazione, a sua volta dipendente da un corretto
dimensionamento e gestione dell’impianto
 la quantità di metano prodotto è correlabile esattamente alla
sostanza organica rimossa:
7
νCOD,CH4
= 0,35 Nm3
CH4 kgCODdegradato
-1
 la quantità di metano producibile è ricavabile dalla letteratura tecnica
o valutabile sperimentalmente con la misura del BMP Biochemical
Methane Potential

8. DICA – Sezione Ambientale
8
Biogas: composizione media
 Il tenore di metano è legato principalmente alla composizione del substrato
alimentato
 Il tenore di vapor acqueo è legato principalmente alla temperatura di lavoro
 Il tenore di H2S è legato principalmente alla composizione del substrato
alimentato
COMPONENTE % IN VOLUME
Metano (CH4) 55-60 (50-75)
Anidride carbonica (CO2) 35-40 (25-45)
Vapore Acqueo (H2O) 2 (20o
C) - 7 (40o
C)
Idrogeno Solforato (H2S) 0,02 - 2%
Azoto (N2) <2
Ossigeno (O2) <2
Idrogeno (H2) <1
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
% metano nel biogas
kcal/NmcekJ/Nmc
0
2
4
6
8
10
12
14
16
kWh/Nmc
kcal/Nm3
kJoule/Nm3
kWh/Nm3

9. DICA – Sezione Ambientale
9
• Condizioni di digestione
ottimali e controllate
• Valutazione della massima
resa e rapidità di produzione
• Indicazioni su possibili
inibizioni
BMP – valutazione della produttività di metano

10. DICA – Sezione Ambientale
10
BMP - FORSU
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 5 10 15 20 25 30
NmL/gSV
Giorni
Produzione netta di metano da FORSU

11. DICA – Sezione Ambientale
Valori di riferimento per BMP(Nm3CH4/tSVin) Al Saedi et al., (2008)
400
In impianti a piena scala riduzione del valore di produzione
specifica, anche in ragione della «purezza» dell’alimento

12. DICA – Sezione Ambientale
12
Produzione di biogas per diverse biomasse
Matrice mBIOGAS
3 tSV
alimentati
-1
Fanghi di depurazione civile 250-350
Frazione organica dei rifiuti urbani (FORSU) 400-600
Deiezioni animali (suini, bovini, avicunicoli) 200-500
Colture energetiche (mais, sorgo zuccherino, erba,
ecc)
550-750
Residui colturali (paglia, colletti di barbabietole,
ecc.)
350-400
Scarti organici agroindustriali (siero, scarti
vegetali, lieviti, fanghi reflui di distilleria, birrerie,
cantine)
400-800
Scarti organici di macellazione (grassi, contenuto
stomacale e intestinale, sangue, fanghi di
flottazione, ecc.)
550-1000

13. DICA – Sezione Ambientale
Co-digestione 13
Digestione contemporanea di matrici organiche diverse
(ad es.; fanghi e FORSU; liquami zootecnici ed insilati;
FORSU e scarti agroalimentari; …………)
Vantaggi potenziali:
 possibile aumento più che proporzionale della
produzione di metano (effetto sinergico);
 bilanciamento della composizione dell’alimento al
digestore, anche in termini di concentrazione di SST;
 ampia disponibilità di matrici alimentabili

14. DICA – Sezione Ambientale
Codigestione FORSU con fanghi di depurazione
In Italia sono presenti circa 120 digestori in impianti di trattamento delle acque reflue.
Molti sono sottocaricati (o non utilizzati)
Co-digestione FORSU-fanghi nell’impianto depurazione acque reflue di Firenze
- Produzione di biogas: 20.000 Nm3/d (trattando 42.000 t/a di FORSU)
- Possibilità di produrre in cogenerazione 6000 MWhelettr/anno 10500 MWhcalore/anno

15. DICA – Sezione Ambientale
CONFRONTO DIGESTIONE FANGO E CODIGESTIONE CON FORSU
Aumento produzione specifica di biogas passando a codigestione con FORSU
100% FORSU
60% Fango
40% FORSU
100% Fango
attivo ispessito
Resa teorica

16. DICA – Sezione Ambientale
16
SOTTOPRODOTTI (D.lgs 28/2011, D.M. 6 luglio 2012)
PRO CONTRO
Riuso energetico di residui di attività
produttive
Ampia variabilità delle caratteristiche
(chimico-fisiche, rapidità di
biodegradazione, pezzatura, ecc.), anche
all’interno dello stesso sottoprodotto
Ampie disponibilità (comunque da
definire e studiare, anche in ragione delle
distanze di trasporto e delle alternative
di recupero)
Possibile presenza di elementi estranei e
non idonei (terra, noccioli, materiale
inerte): effetti di breve/medio/lungo
termine su funzionalità digestore, quali
riduzione volume utile, abrasione, ecc.
Possibile bilanciamento della
composizione dell’alimento al digestore:
effetto “codigestione” con incremento
sinergico della produzione di biogas
Eventuale incremento di componenti
indesiderabili (azoto, zolfo, …)

17. DICA – Sezione Ambientale
CODIGESTIONE PASTAZZO AGRUMI CON FORSU
Lieve effetto sinergico passando a codigestione 50% pastazzo e 50% FORSU
(+5% produzione rispetto a produzione attesa)

18. DICA – Sezione Ambientale
Resa di alcuni sottoprodotti (Scaglione et al., 2014)
sottoprodotto
produttività di
metano - BMP
produttività di metano
sul prodotto tal quale
L CH4/kgSV L CH4/kg
liquame suino 220 - 390 4 - 13
liquame bovino 150 - 290 10 - 30
letame bovino 140 - 200 26 - 47
pollina 220 - 390 90 - 160
siero di latte 375-500 23-31
permeato di lattosio 350 - 400 14-18
stocchi di mais 150 - 246 115 - 190
buccette di pomodoro 190-220 55-64
bucce di patate 260-380 40-60
polpa di barbabietola
pressata
310-470 75-110
foglie e colletti di
barbabietola 250-330 35-42
melasso 300 - 360 200 - 220
crusca 300 - 360 200 - 220
farinaccio 320 - 390 270 - 330
glicerolo 450 - 750 400 - 600

19. DICA – Sezione Ambientale
Deferrizzazione –
Triturazione primaria –
pulper - vagliatura
Vasca di idrolisi
Digestore
Anaerobico
Reflui
zootecnici
Vagliatura
Disidratazione
Frazione
liquida
Frazione
solida
Depuratore
Biogas
Energia elettrica e
termica
FORSU
Fanghi
Digestore di Camposampiero - Schema di flusso
ETRA Spa, avviato nel 2005
Recupero

20. DICA – Sezione Ambientale
Digestore di Camposampiero
volume 3.300 mc
solidi sospesi 2-5%
tempo di ritenzione 17 gg
temperatura d’esercizio 50-55 °C
carico specifico
consigliato
3 kg SV/(mc x giorno)
(max 5)volume gasometro 2.600 mc
Caratteristiche del digestore
Depurazione 35.000 a.e.
t/anno
FORSU 16.000
Reflui zootecnici 25.000
Fanghi di depurazione 7.800 (8% ss)
Potenzialità di trattamento

21. DICA – Sezione Ambientale
Digestore di Castelleone (CR) - Biofor srl
Fonte: Biotec Sistemi srl

22. DICA – Sezione Ambientale
- Mesofilia, ad umido, 2 stadi (avviato nel marzo 2010)
• HRT 25 giorni Cv = 5,5 kgSV∙d-1∙m-3
• 1,48 MWel potenza media prodotta nel 2011 (89% del max) e
1,56 MWel nel 2012 (94% del max)
• totale scarti (fraz. leggera + sabbia + fraz. pesante) pari al 13%
del materiale in ingresso all’impianto
• autoconsumi pari al 20% dell’energia prodotta
Digestore di Castelleone (CR) - Biofor srl

23. DICA – Sezione Ambientale
POST
COMPOSTAGGIO:
 SV = 10%
1 t FORSU:
240 kg SV
60 kg SNV
700 kg H2O
DA SECCA:
 SV = 50%
140 kg H2O
BIOGAS: 100 m3n
Metano: 60 m3n
Riscaldamento:
120 MJ
Miscelazione:
10,2 kWh
120 kg SV
60 kg SNV
560 kg H2O
10 m3n in torcia
90 m3n (2031 MJ)
MOTORE
COGENERATIVO:
el = 40%; th = 45%
226 kWh 914 MJ
607 g CH4
981 mg N2O
60 kg SNV 452 kg H2O
216 kg COMPOST:
108 kg SV
108 kg H2O
11,1 kWh
POST
COMPOSTAGGIO:
 SV = 10%
1 t FORSU:
240 kg SV
60 kg SNV
700 kg H2O
DA SECCA:
 SV = 50%
140 kg H2O
BIOGAS: 100 m3n
Metano: 60 m3n
Riscaldamento:
120 MJ
Miscelazione:
10,2 kWh
120 kg SV
60 kg SNV
560 kg H2O
10 m3n in torcia
90 m3n (2031 MJ)
MOTORE
COGENERATIVO:
el = 40%; th = 45%
226 kWh 914 MJ
607 g CH4
981 mg N2O
60 kg SNV 452 kg H2O
216 kg COMPOST:
108 kg SV
108 kg H2O
11,1 kWh
Digestione a secco + post-compostaggio
Bilancio di massa
Malpei et al., 2008

24. DICA – Sezione Ambientale
Digestione ad umido + essiccamento/incenerimento
della frazione solida - Bilancio di massa
Malpei et al., 2008
4,1 kWh
1 t FORSU:
240 kg SV
60 kg SNV
700 kg H2O
PRETRAT-
TAMENTO
BIOGAS: 110 m3n
Metano: 66 m3n
Riscaldamento:
288 MJ
36 kWh
240 kg SV
2160 kg H2O
11 m3n in torcia
99 m3n (2235 MJ)
MOTORE
COGENERATIVO:
el = 40%; th = 45%
248 kWh 1006 MJ
668 g CH4
1080 mg N2O
1908 kg H2O
DA UMIDA:
 SV = 55%
Miscelazione:
19 kWh
60 kg SNV
1460 kg H2O
ESSICCAZIONE:
UMout = 10%
108 kg SV
2160 kg H2O
DISIDRATAZIONE:
UMout = 70%
108 kg SV
252 kg H2O
108 kg SV (1607 MJ)
12 kg H2O
679 MJ
INCENERIMENTO:
el = 28,8%
128,6 kWh
4,1 kWh
1 t FORSU:
240 kg SV
60 kg SNV
700 kg H2O
PRETRAT-
TAMENTO
BIOGAS: 110 m3n
Metano: 66 m3n
Riscaldamento:
288 MJ
36 kWh
240 kg SV
2160 kg H2O
11 m3n in torcia
99 m3n (2235 MJ)
MOTORE
COGENERATIVO:
el = 40%; th = 45%
248 kWh 1006 MJ
668 g CH4
1080 mg N2O
1908 kg H2O
DA UMIDA:
 SV = 55%
Miscelazione:
19 kWh
60 kg SNV
1460 kg H2O
ESSICCAZIONE:
UMout = 10%
108 kg SV
2160 kg H2O
DISIDRATAZIONE:
UMout = 70%
108 kg SV
252 kg H2O
108 kg SV (1607 MJ)
12 kg H2O
679 MJ
INCENERIMENTO:
el = 28,8%
128,6 kWh
1 t FORSU:
240 kg SV
60 kg SNV
700 kg H2O
PRETRAT-
TAMENTO
BIOGAS: 110 m3n
Metano: 66 m3n
Riscaldamento:
288 MJ
36 kWh
240 kg SV
2160 kg H2O
11 m3n in torcia
99 m3n (2235 MJ)
MOTORE
COGENERATIVO:
el = 40%; th = 45%
248 kWh 1006 MJ
668 g CH4
1080 mg N2O
1908 kg H2O
DA UMIDA:
 SV = 55%
Miscelazione:
19 kWh
60 kg SNV
1460 kg H2O
ESSICCAZIONE:
UMout = 10%
108 kg SV
2160 kg H2O
DISIDRATAZIONE:
UMout = 70%
108 kg SV
252 kg H2O
108 kg SV (1607 MJ)
12 kg H2O
679 MJ
INCENERIMENTO:
el = 28,8%
128,6 kWh
Trattamento
o riuso

25. DICA – Sezione Ambientale
Caratteristiche medie del digestato da FORSU
separata alla fonte
25
Digestione a secco Digestione a umido
Sostanza secca, % 25 2,5
Azoto totale, kgN t-1 10,9 4,8
Azoto organico, kgN t-1 7,7 1,2
Azoto ammoniacale, kgN-NH4
+ t-1 3,2 3,6
Fosforo, kgP t-1 2,4 0,4
Potassio, kgK t-1 3,8 4,2
(Rodhe et al., 2006).
Digestore A Digestore B
FORSU, umido, termofilia
ST (g/L) - 20,6
COD (g/L) 11,0 21,8
BOD5 (g/L) 1,5 12,4
TKN 2,3 4,1
N-NH4+ 2,0 3,2
Cloruri 2,0 – 2,5

26. DICA – Sezione Ambientale
DA: Opzioni trattamento della frazione liquida
26
 Invio alla linea acque di un impianto di depurazione
(co-digestione fanghi – FORSU) (Pro: apporto
CODbiodegradabile (?); Cons: cloruri, COD non biodegradabile)
 Scarico in fognatura, previo trattamento (Pro: media
complessità; Cons: necessità deroghe a Tab.3 All.5,
D.Lgs.152)
 Scarico in corpo idrico superficiale (Pro: qualità idonea
per riuso nel processo; Cons: costo ed elevata
complessità impiantistica: biologico + membrane
UF/OI)

27. DICA – Sezione Ambientale
Trattamenti avanzati della frazione liquida
 Rimozione dell’azoto per via autotrofa/Anammox (risparmi su costi
gestionali di oltre il 50% rispetto biologico convenzoniale)
www.progettobrain.it
 Ricerca sull’applicabilità al digestato FORSU in avvio
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 30 60 90 120 150 180
%refluoreale
giorni
NRR/NLR
efficienza rim. N % refluo reale
Digestato agro-zootecnico

28. DICA – Sezione Ambientale
LCA (GWP) di alcuni scenari gestione FORSU
30
-42
-16
-28
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
Elettricità Torba Concimi chimici Totale
kgCO2eq./tFORSU
-22
-168
-88
-203
22 11 2,5 16 24
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
Elettricità
pretrattamento
Elettricità
miscelazione
Elettricità
disidratazione
Motore
cogenerativo
Caldaiaa
gasolio
Caldaiaa
metano
Parcotermoel.
biogas
Parcotermoel.
incenerimento
Totale1
kgCO2eq./tFORSU6,1 14 6,67
-66
-154
-30
-11,4
-240
-300
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
Elettricità
miscelazione
Motore
cogenerativo
Elettricità
compostaggio
Caldaiaa
metano
Parco
termoelettrico
Torba
Concimi
chimici
Totale1
kgCO2eq./tFORSU
Compostaggio
DA umido
+ ES/INC
DA secco +
compostaggio
Malpei et al., 2008

29. DICA – Sezione Ambientale
Trend europeo digestione anaerobica FORSU
De Baere & Mattheeuws (2014)
244 digestori per una capacità totale di 7.750.000 t/anno (5% del potenziale)
Potenzialità cumulata Potenzialità media impianti

30. DICA – Sezione Ambientale
Tipologia digestori in Europa
De Baere and Mattheeuws (2014)
 67% mesofilo – 33% termofilo
 89% solo FORSU – 11% codigestione
 93% una fase – 7% due fasi
 62% secco – 38% a umido
- Ultimi impianti alimentati principalmente con FORSU da raccolta porta a
porta
- Molti impianti in funzione da oltre 10-15 anni

31. DICA – Sezione Ambientale
Conclusioni
• La FORSU selezionata è una matrice rapidamente
biodegradabile e con buon potenziale di produzione
di metano
• La co-digestione con fanghi e sottoprodotti può
portare benefici tecnici ed aumentare il campo di
applicazione e la diffusione di questa opzione
• Il bilancio ambientale è pienamente positivo
• Scelte progettuali, impiantistiche e di gestione non
possono prescindere dalla considerazione del
destino del digestato.